CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS-DE-PROVA

Após a queima, os corpos-de-prova foram caracterizados quanto às seguintes propriedades:

• Fases cristalinas por DRX;

• Morfologia da microestrutura por microscopia eletrônica de varredura (MEV); • Densidade geométrica e retração linear;

• Densidade aparente e absorção de água; • Dureza e tenacidade à fratura;

• Resistência mecânica à flexão.

Para a realização das análises por MEV e DRX, e determinação da dureza e tenacidade à fratura, foi necessário o corte dos corpos-de-prova, conforme a Figura 5.4. Utilizou-se os corpos-de-prova rompidos após o ensaio de flexão. Dessa forma, pode-se obter uma amostra da parte fraturada, além da área interna.

Figura 5.4 – Cortes dos corpos-de-prova após queima para a realização de análises por MEV, DRX, e determinação da dureza e tenacidade à fratura.

As amostras foram cortadas no equipamento Buehler modelo IsoMet low speed

saw. Utilizou-se um disco de corte diamantado modelo Diamond Wafering Blade,

series 15 LC Diamond, nº 11-4255 de 127 mm. No corte, foi utilizado um fluido refrigerante semi-sintético GR-SS marca Arotec diluído em água na concentração de 1/20. A rotação do disco foi ajustada conforme avanço, ambos de forma manual. A rotação máxima utilizada foi 210 rpm.

5.2.2.1 Fases cristalinas por DRX

A identificação das fases cristalinas resultantes do processo de queima dos corpos-de-prova foi realizada por meio de difração de raios X (DRX). Para tanto, utilizou-se um equipamento marca Phillips, modelo X’Pert MPD, com um emissor de raios X na radiação Cu-Kα. Para cada amostra cortada e preparada anteriormente, analisou-se a parte externa e interna. Os difratogramas obtidos para cada amostra foram analisados no software X'Pert HighScore Plus e comparados com um banco de dados para a identificação das fases cristalinas presentes.

5.2.2.2 Morfologia de microestrutura por MEV

Para a análise da morfologia da microestrutura dos corpos-de-prova após queima, utilizou-se um microscópio eletrônico de varredura (MEV) marca Zeiss, modelo EVO MA10. Observou-se as áreas da fratura no teste de flexão para cada composição. Foram geradas imagens com 1.000 e 10.000 vezes de ampliação com uma voltagem de 10 kV. As amostras não foram metalizadas.

5.2.2.3 Densidade geométrica e retração linear

Para a determinação da densidade geométrica e retração pós queima, utilizou- se um paquímetro digital na determinação das dimensões de cada corpo-de-prova. Para cada dimensão, conforme a Figura 5.5, foram obtidas 3 leituras (largura, altura, comprimento), das quais utilizou-se a média para os cálculos. De posse das dimensões e da massa, determinada com uma balança analítica digital, foi possível calcular o volume de cada peça e sua densidade geométrica (Equação 5.1). Com a diferença de dimensões antes e após a sinterização, foi possível determinar a retração linear (Equação 5.2). Foram empregados 14 corpos-de-prova para cada composição.

Figura 5.5 – Dimensões dos corpos-de-prova.

𝑑_# ="₄ (Equação 5.1) 𝑅_- = 0"50# 0" ∗ 100 (Equação 5.2) onde: RL – Retração Linear (%); Di – Dimensão inicial (mm); Df – Dimensão final (mm); dc – Densidade amostra (g/cm3); m – Massa da amostra (g); V – Volume da amostra (cm3_).

5.2.2.4 Densidade aparente e absorção de água

A determinação da densidade aparente foi realizada seguindo os princípios de Arquimedes [77]. Através dos dados obtidos na técnica, também foi possível determinar a absorção de água. Utilizou-se 7 corpos-de-prova de cada composição para este ensaio. Inicialmente, as amostras foram pesadas em uma balança analítica digital para determinar sua massa seca (mc) e, em seguida, foram imersas em água, onde permaneceram por 24 h. A determinação da densidade pelo método de Arquimedes foi realizada após as 24 h em um aparato específico para este ensaio. O aparato consiste em uma haste com um copo porta-amostra, que deve ficar totalmente imerso em água dentro de um béquer que está suportado por uma plataforma. A haste não deve tocar o béquer nem a plataforma e somente a haste deve ficar sobre o prato da balança analítica.

A massa aparente (MAP) foi medida colocando cada amostra sobre o copo porta-amostra imerso em água. Anotou-se a temperatura da água no béquer, pois a densidade da água (dL) varia conforme a temperatura (tabela 5.2). Por fim, foram retiradas as amostras e removido o excesso de água para medir a massa da amostra com os poros preenchidos com água (mu). Através das Equações 5.3 e 5.4, foi possível calcular a densidade (dc) e a absorção de água (A) das amostras:

𝑑_# = * "$ "%5"&'+ ∗ 𝑑- (Equação 5.3) 𝐴 ="%5"$ "$ ∗ 100 (Equação 5.4) onde: dc – Densidade amostra (g/cm3);

mc – Massa da amostra seca (g);

mu – Massa da amostra com os poros preenchidos com água (g);

MAP – Massa aparente da amostra quando imersa em água (g);

dL – Densidade da água (g/cm3) (Tabela 5.2);

A – Absorção de água (%).

Tabela 5.2 – Densidade da água em função da temperatura.

Décimos de Grau °C .0 .1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 0 0,9999 0,9999 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 0,9999 0,9999 0,9998 10 0,9997 0,9996 0,9995 0,9994 0,9993 0,9991 0,9990 0,9988 0,9986 0,9984 20 0,9982 0,9980 0,9978 0,9976 0,9973 0,9971 0,9968 0,9965 0,9963 0,9960 30 0,9957 0,9964 0,9951 0,9947 0,9944 0,9941 0,9937 0,9934 0,9930 0,9926 40 0,9922 0,9919 0,9915 0,9911 0,9907 0,9902 0,9898 0,9894 0,9890 0,9885 50 0,9881 0,9876 0,9872 0,9867 0,9862 0,9857 0,9852 0,9848 0,9842 0,9838 60 0,9832 0,9827 0,9822 0,9817 0,9811 0,9806 0,9800 0,9765 0,9789 0,9784 70 0,9778 0,9772 0,9767 0,9761 0,9755 0,9749 0,9743 0,9737 0,9731 0,9724 80 0,9718 0,9712 0,9706 0,9699 0,9693 0,9686 0,9680 0,9673 0,9667 0,9660 90 0,9653 0,9647 0,9640 0,9633 0,9626 0,9619 0,9612 0,9605 0,9598 0,9591 Fonte: [77]

5.2.2.5 Dureza e tenacidade à fratura

Realizou-se o ensaio de dureza Vickers no equipamento marca Instron, modelo Tukon 2100 B. Seguiu-se os procedimento da norma ASTM E384 – 17 [78]. Utilizou- se uma carga de 20 kgf para que, além das indentações, ocorram trincas. Para cada composição, efetuou-se 7 indentações, tanto na parte externa do corpo-de-prova como na interna. O ensaio consistiu em penetrar cada amostra com uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136°. O valor da dureza Vickers (HV) pode ser obtido através da Equação 5.5.

𝐻𝑉 = 18544 ,

/! (Equação 5.5)

Onde:

HV – Dureza Vickers (HV); P – Carga aplicada (20 kgf);

d – Diagonal média da pirâmide (mm).

A tenacidade à fratura das amostras foi determinada através do Vickers

Indentation Method [79,80]. Utilizou-se as mesmas indentações do ensaio de dureza.

Mediu-se o comprimento médio de cada trinca e a metade da diagonal da pirâmide, conforme Figura 5.6. A tenacidade à fratura das amostras pode ser calculada pela Equação 5.6.

𝐾₆₇ = 0,16. *#₍+5%,9. H𝐻𝑉. 𝑎%/'_{I (Equação 5.6)}

Onde:

KIC – Tenacidade à fratura (MPa.m1/2);

HV – Dureza Vickers (MPa);

c – Comprimento médio das trincas obtido nas pontas da indentação Vickers (μm); a – Metade da diagonal média da indentação Vickers (μm).

Após as indentações, efetuou-se o polimento das amostras em uma politriz rotativa Struers Abramin a 300 rpm. Usou-se pasta de diamante marca Buehler de cor

vermelha na granulometria de 1 μm, que atuou como revelador das indentações e trincas. A refrigeração do processo de polimento foi feita através da adição de etanol. Utilizou-se um microscópio ótico com ampliação de 200 vezes para fazer as imagens das indentações em campo claro e escuro. Aplicou-se diversos filtros, balanço de cores e luz até a melhor visualização das indentações e fissuras. As imagens foram analisadas no software ImageJ para a obtenção das leituras e medidas.

Figura 5.6 – Marca da indentação Vickers. Fonte:[79]

5.2.2.6 Resistência mecânica à flexão

Realizou-se a determinação da resistência mecânica à flexão em quatro pontos em 7 corpos-de-prova prismáticos de cada composição. Utilizou-se a máquina de ensaios Shimadzu, modelo AG-X 50 kN. Seguiu-se os passos da norma ASTM C1161- 18 [53] para ensaios de flexão em cerâmicas avançadas [3]. Utilizou-se 15 mm de distância entre os apoios superiores e 30 mm entre os apoios inferiores. Adotou-se o avanço da mesa de carga em 1,0 mm/min. A Figura 5.7 apresenta as configurações do ensaio. De posse da altura (h) e largura (d) dos corpos-de-prova, foi possível determinar a tensão máxima de ruptura (σmax) pela Equação 5.7.

onde:

σmax – Módulo de ruptura (MPa);

P – Carga na fratura (N);

L1 – Distância entre os pontos de apoio inferiores (30 mm); L2 – Distância entre os pontos de apoio superiores (15 mm);

D – Distância do apoio até o ponto de aplicação da carga (7,5 mm); h – Altura do corpo-de-prova (mm);

d – Largura do corpo-de-prova (mm);

Figura 5.7 – Esquema do ensaio de flexão em quatro pontos neste trabalho.

5.2.2.7 Tratamento de dados

Todos os dados foram tratados estatisticamente pelo critério de Chauvenet [81] para rejeição das amostras não representativas. Cada grupo de dados contou com no mínimo sete resultados referentes a cada ensaio. Para aplicar o método, a partir da média (Equação 5.8) e do desvio padrão (Equação 5.9), foi calculada a razão entre o desvio individual e o desvio padrão de cada um dos valores (Equação 5.10). Esta razão foi comparada com o critério de rejeição (Equação 5.11). Foi adotado um critério de rejeição com 95% de confiabilidade que varia conforme quantidade de amostras (Tabela 5.3). Subsequentemente, uma nova média e um novo desvio padrão são calculados sem os dados eliminados e aplica-se novamente o método até que nenhum dado seja descartado.

𝑋 =∑ ;"

𝑆 = J∑=;"5;>! <5% (Equação 5.9) 𝑟 =?;"5;? @ (Equação 5.10) 𝑟 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 ≤ 𝑅𝑐 (Equação 5.11) 𝑋 – Média aritmética; 𝑆 – Desvio padrão; 𝑟 – Razão; 𝑅𝑐 – Critério de rejeição; 𝑋_𝑖 – Valor medido;

𝑛 – Número de medidas realizadas.

Tabela 5.3 – Critério de rejeição para 95% de confiabilidade. 𝒏 𝑹𝒄 𝒏 𝑹𝒄 𝒏 𝑹𝒄 2 1,15 13 2,07 24 2,31 3 1,38 14 2,10 25 2,33 4 1,53 15 2,13 26 2,35 5 1,64 16 2,15 30 2,39 6 1,73 17 2,18 40 2,49 7 1,80 18 2,20 50 2,57 8 1,86 19 2,22 100 2,81 9 1,91 20 2,24 200 3,02 10 1,96 21 2m26 300 3,14 11 2,00 22 2,28 500 3,29 12 2,04 23 2,30 1000 3,48 Fonte: Adaptada de [81]